上海大学利用FEMAG软件优化保利协鑫直拉硅单晶过程的热场功耗

     硅单晶炉的热场主要由导流筒、各种石墨件、加热器及保温材料等成套部件构成。直拉硅单晶的生长过程 中首先要将多晶硅原料装于石英坩锅内并在1420℃以上的温度下熔融，温度稳定到目标温度后将确定晶向的单晶硅籽晶与熔体熔接后引晶，再经过过放肩、转 肩、等径、收尾、冷却等工序完成单晶硅的的生长过程。考察当前太阳能级直拉单晶硅生产成本结构，包括电力成本和其他辅料、人工等成本部分，其中电力成本占 最大比例（28.3%）。因此，降低单晶生长过程的功耗对于进一步降低硅片制造成本、实现太阳能平价上网具有重要意义。

      直拉单晶长晶在高温、封闭的低真空度环境下进行。在热场内部，传热主要通过高温辐射、传导/对流导热等方式实现。通过模拟手段他们对原热场高功耗原因进行了分析。如下左图为模拟所得的热场导热边界热量损失分布图，通过该图可以发现，在原有热场中存在多处热量散失较严重。如加热器顶部的石墨保温桶由于直接 接受加热器的高温辐射，温度较高。而石墨材料由于具有优异的导热性能（为石墨保温软毡100倍以上），很大部分加热器辐射热量由于这部分结构设计不合理而损失掉；同时，由于上保温层偏薄，导致热场上部保温层保温效果不理想。模拟计算结果表明，仅对上保温石墨套结构进行适当修改就可降低加热器功耗约13%。

      基于上述分析，上海大学考虑到以最低的成本、最小的热场改动要求及碳毡材料成本等因素，最终采取的热场优化方案并用FEMAG/CZ软件进行模拟，如上右图为优化前后温度场对比。保利协鑫的实际生产实验表明，优化后的热场在保证晶体生长原有质量前提下有29%的节能效果。

     上海大学材料学院的晶体生长模拟仿真技术中心隶属于上海大学特种钢国家重点实验室，模拟仿真技术中心主要开展高温合金单晶叶片、光伏材料、LED及半导体等晶体材料的生长工艺模拟、仿真与工艺优化；高新晶体材料生长设备、热场设计与工艺；晶体材料生长过程的微观组织模拟、晶体生长过程微观缺陷形成机理及其 传输机制、有限元非结构化网格自动生成等方向的研究。